取消人工接地体在±800 kV哈郑直流工程中的适用范围分析

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(中国电力科学研究院，武汉 430074)

0 引言

输电线路杆塔接地装置是泄放雷电冲击和工频故障电流，保障电力系统安全稳定运行的重要设施。线路杆塔接地装置的设计主要是从其防雷性能角度进行的，为了保障线路反击闪络率较低，对杆塔接地装置的接地电阻进行控制。此外，为了保障人身安全，在行人较多的城市地段，杆塔的接地装置还应当考虑线路发生接地短路故障时，由低频接地故障电流所引起的接触电位差和跨步电位差在人身安全限值范围内。

目前我国有避雷线的高压架空输电线路杆塔一般都设置有专门的人工接地体，由方框形或方框带射线形导体组成。同时规程中指出[1]，对于土壤电阻率很低的潮湿地区，可利用铁塔和钢筋混凝土杆的基础自然接地，基础自然接地体和人工接地体共同作用进一步减小杆塔接地电阻。特高压输电线路杆塔高，杆塔基础具有尺寸大、埋设深、钢筋多等特点，杆塔基础钢筋的散流能力较强，基础本身的接地电阻相对较小，基础接地体存在独立接地的可能，取消人工接地体具有明显的经济效益。另一方面，在人工接地体安装困难的地区，基础接地体独立接地的应用也将成为一种有效的解决方案。

由于基础接地体内散流钢筋导体被混凝土包围，如若通过混凝土的电流密度超过一定值，由于水分发热引起的蒸汽压力可能使混凝土遭受机械性破坏。自20世纪60年代以来[2-7]，国际上对基础接地体的载流能力进行了许多研究，基础接地体的载流能力可以通过增加基础内钢筋数量简单解决。据此，国外在防雷接地和电工技术接地中逐渐普及应用基础接地体。东德在其1974年版的接地规范中就对基础接地体的应用进行了规定。

我国从20世纪80年代左右开始关注基础接地体，在建筑物领域应用相对较多[8-11]。在架空线路方面，早在《电力设备接地设计技术规程》(SDJ8-1979)中就已提出“35 kV及以上无避雷线小接地短路电流系统中的钢筋混凝土杆和金属杆塔，在土壤电阻率不超过100 Ω·m的地区或已有运行经验的地区，钢筋混凝土杆和金属杆塔可不另设人工接地装置。”实际运行经验表明，混凝土基础接地体通常能满足接地短路和雷电冲击时的载流要求。特高压线路的杆塔基础钢筋数量显著增加，其耐受工频和雷电冲击的安全性更强。

笔者针对±800 kV哈密-郑州特高压直流输电工程，从接地性能角度分析线路杆塔取消人工接地体而采用基础独立接地的适用场合。在线路杆塔防雷性能分析和人身安全分析的基础上分别提出了接地电阻和电位差的预期目标，结合基础接地体的接地电阻及电位差计算结果，提出了取消人工接地体的适用土壤电阻率范围。依据分析结果在实际工程中选择了20基杆塔进行了基础独立接地的示范应用，对其接地电阻和电位差进行了校核，满足技术和人身安全要求。为特高压输电工程的接地优化设计提供了技术和实践支撑。

1 接地电阻和电位差的预期目标

1.1 接地电阻的预期目标

1.1.1 输电线路反击耐雷性能的影响因素

目前特高压输电线路的反击计算采用的是国际上通用的方法，采用EMTP模拟获得反击耐雷水平i0，按式(1)计算反击闪络率nf[12]。杆塔接地装置冲击接地电阻越小，线路反击耐雷水平越高，从而影响反击闪络率。

(1)

式中：Ng为地闪密度(次/(km2·a))，hT为杆塔高度(m)，b为两根地线之间的距离(m)，g为击杆率，P(I0≥i0)为雷电流幅值超过反击耐雷水平i0(kA)的概率，η为建弧率。

由式(1)可知，雷电参数(包括地闪密度、雷电流幅值累积概率分布)也对反击闪络率具有较大影响。

哈密-郑州特高压直流输电工程全长2 195 km，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南六省(区)，不同地区的雷电日、雷电流幅值概率分布存在明显差别。全线共分为21个标段，1～10标段位于西北少雷区，11～17标段位于西北中雷区，18～21标段位于非西北中雷区。少雷区的雷电日主要在20天以下，中雷区的雷电日主要在20～40天范围内。根据磁钢棒实测结果，西北少雷区和其他地区的雷电流幅值分布概率曲线显著不同，西北少雷区一般符合式lgP(I0≥i0)=-i0/44，其他地区符合式lgP(I0≥i0)=-i0/88[12]。雷电参数的这一区域特征差异使得在同一跳闸率允许目标下，西北少雷区和非西北少雷区对应的接地电阻的允许值存在明显差异。因此，接地电阻控制目标宜按西北少雷区和非西北少雷区进行区分。

1.1.2 典型杆塔的反击闪络率

以哈郑直流工程的典型直线塔DZ51为例进行计算，非西北少雷区和西北少雷区的海拔高度分别取1 000 m和1 500 m。在不同接地电阻下，杆塔的反击闪络率计算结果见图1。杆塔位于西北少雷区时的反击闪络率远小于非西北少雷区。接地电阻在15～40 Ω内变化时，杆塔位于非西北少雷区的反击闪络率在0.043～0.511次/100 km·a内变化，位于西北少雷区时的反击闪络率在0～0.028次/100 km·a内变化。

图1 反击闪络率随冲击接地电阻的变化Fig.1 Back flashover rateschange withimpulse grounding resistances

1.1.3 基础接地体的冲击系数水平

由反击闪络率推得的接地电阻为冲击接地电阻。鉴于实际工程中工频接地电阻更易测量和计算，采用冲击系数将对冲击接地电阻的要求转化成对工频接地电阻的要求。

现行国标《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T 50065-2011)中指出高压输电线路杆塔自然接地极的冲击系数可按式(2)考虑。

(2)

式(2)中，对钢筋混凝土杆、钢筋混凝土桩和铁塔的基础(一个踏脚)αi为0.053。铁塔的各基础间冲击利用系数为0.4～0.5。据此，钢筋混凝土四个塔脚基础并联的基础接地体的冲击系数最大值约为0.37～0.46。文献[13-14]中提出的基础接地体的冲击系数也一般在0.7以下。

为了更准确获得特高压杆塔基础的冲击系数，对1 000 kV皖电东送特高压交流工程典型杆塔基础的冲击系数进行了现场测量。测量杆塔为I78号，塔型SZC306，工频接地电阻为4.93 Ω。冲击测量电源采用移动冲击电流发生器，测量方法为电流电压法。在8/20 μs冲击电流下，冲击电流在1.60～2.66 kA范围内时，冲击系数在0.42～0.46范围内。特高压输电线路反击耐雷水平远高于此电流值，但由于火花放电效应的影响，基础接地体的冲击系数会随冲击电流幅值的增加而减小，具有饱和趋势。因此，笔者对特高压杆塔基础接地体的冲击系数偏严格取为0.7。

1.1.4 工频接地电阻的控制目标

目前我国特高压输电线路雷击跳闸率的目标通常设定为不超过0.17次/100 km·a。假定以该雷击跳闸率指标的20%作为反击预期目标，即反击闪络率的预期目标值约为0.034次/100 km·a，此时，DZ51杆塔在非西北少雷区和西北少雷区的最大允许冲击接地电阻分别为14 Ω、42 Ω。结合冲击系数水平，以杆塔基础独立接地时，其工频接地电阻的预期目标在非西北少雷区和西北少雷区可分别近似取20 Ω和60 Ω。

1.2 接触电位差和跨步电位差的预期目标

由于输电线路多架设在野外，在杆塔发生短路故障时周边正好有人经过的概率极小，因此，一般不需要考虑杆塔附近的接触电位差和跨步电位差。但在人口密集区，为了保障人身安全，杆塔的接地设计需要兼顾低频入地电流所引起的接触电位差和跨步电位差，应在人体可承受范围内。GB/T 50065-2011中指出接触电位差和跨步电位差应不超过式(3)和(4)的计算值[11]：

(3)

(4)

式中：ρs为地表层的土壤电阻率，Ω·m；Cs为表层衰减系数；ts为接地故障电流持续时间，s。

2 杆塔基础独立接地的适用范围

2.1 基础接地体的接地电阻水平

依据基础接地体钢筋包络线结构和尺寸，可将哈郑特高压直流输电工程杆塔基础分为三类[15](如图2所示)：①Ⅰ类，钢筋包络线断面为多根圆柱形状，主要为灌注桩式中的群桩式，通常埋设较深；②Ⅱ类，钢筋包络线断面为单根圆柱形状，主要包括陶挖式、岩石、锚杆基础等，埋设较浅；③Ⅲ类，底盘较大，底部断面分梯形和台阶形两种，埋设较浅。

图2 特高压线路杆塔基础钢筋包络线断面示意图Fig.2 Steel envelope cross-section schematic of UHV line tower footings

采用CDEGS专用接地计算软件，对各种结构和尺寸的基础接地体的工频接地电阻进行计算。计算结果表明，除基础本身尺寸外，土壤电阻率和根开是影响基础接地体接地电阻的两个主要因素。土壤电阻率越大，接地电阻几乎成线性增加。根开越大，四个塔腿之间的屏蔽作用越小，接地电阻越小。

特高压直流输电线路杆塔基础根开通常在10～20 m范围内。根开10 m时，四种结构中的N70、GZ18100、T0604A、AN113型式基础接地体在不同土壤电阻率条件下的工频接地电阻计算结果见图3。三大基础类型中，一般Ⅰ类基础的尺寸最大，工频接地电阻最小，Ⅱ类基础的尺寸最小，接地电阻最大，Ⅲ类基础的接地电阻则在两者之间。

图3 不同结构基础接地体的接地电阻计算结果Fig.3 Calculations of grounding resistance of typical tower footing grouding bodies

对特高压直流输电线路，偏严格选择各种基础类型中尺寸相对较小的型号为对象，取根开为10 m时，三种类型基础的工频接地电阻可采用下式估算：

对Ⅰ类基础(桩长14 m时)，R=0.013 3ρ；

对Ⅱ类基础，R=0.033 8ρ；

对Ⅲ类基础，R=0.024 9ρ。

2.2 满足接地电阻要求的土壤电阻率范围

针对基于反击耐雷性能提出的接地电阻预期目标，依据不同雷电区域、不同杆塔基础类型的差异性，归纳提出可取消人工接地体而采用基础独立接地的土壤电阻率范围，见表1所示。在西北少雷区，由于反击耐雷性能较高，对接地电阻的要求较低，满足要求的土壤电阻率范围显著扩大。

表1 杆塔基础接地体适用的土壤电阻率范围Table 1 Soil resistivity ranges of typical tower footinggrounding bodies (Ω·m)

2.3 满足电位差要求的土壤电阻率范围

基础接地体附近的最大接触电位差和跨步电位差与入地电流和土壤电阻率成正比。

2.3.1 接地故障电流

沿线接地故障中，整流站线路侧单极接地故障电流最大，因此计算出整流站线路侧正极极线雷电绕击闪络时，流经杆塔空气间隙的直流放电电流波形，结果见图4。可见，故障电流最大峰值为10.6 kA，从故障开始到故障电流降为零的持续时间为16 ms。接地故障时，大部分故障电流经避雷线分流，杆塔入地分流水平以10%计时，故障塔最大入地电流约为1.06 kA。

图4 哈密-郑州工程直流线路整流站侧接地故障时， 极线电压和接地故障电流波形Fig.4 Line voltage and ground fault current wave forms under rectifier station side ground fault of Hami-Zhengzhou DC project

2.3.2 入地电流限值

采用CDEGS计算基础附近的最大接触电位差和跨步电位差，结合接触电位差和跨步电位差限值要求，可获得不同入地电流下的土壤电阻率限值。

以尺寸较小的Z21Y3C杆塔基础为例，根开取12 m时，在0.016 s短路故障入地电流下，计算得到该基础接地体的土壤电阻率限值曲线，结果见图5所示。可见，①在1.06 kA的入地电流下，土壤电阻率限值约为97 Ω·m。即土壤电阻率在97 Ω·m以下时，Z21Y3C杆塔基础独立接地时附近的接触电位差和跨步电位差在安全限值范围内。②两种电位差相比，接触电位差比跨步电位差对土壤电阻率的要求更严，基于接触电位差的土壤电阻率限值更小。③杆塔基础尺寸越大，接地电阻越小，相应的地电位升高和电位差越小，在同样的入地电流下达到跨步电位差和接触电位差限值的土壤电阻率限值越大。如对桩长8 m的单桩基础GZ18100，短路下可满足电位差要求的土壤电阻率限值可达280 Ω·m。

图5 短路故障不同入地电流下土壤电阻率限值曲线Fig.5 Soil resistivity limit curve under different injection current

可见，杆塔基础独立接地时，满足接触电位差和跨步电位差要求的土壤电阻率范围受到杆塔基础尺寸影响较大。对需要考虑接触电位差和跨步电位差的地区，采用基础独立接地时，需要进行专门计算校核。

3 取消人工接地体在哈郑直流工程中的应用

3.1 应用范围

依据计算结果，结合±800 kV哈密-郑州特高压直流输电工程的实际情况，在第12标段选择了20基杆塔取消了人工接地体而采用基础独立接地。这些杆塔基础共包含12种型号，均为Ⅲ类基础中的直柱式结构，其中B10A基础的尺寸相对最小。这些杆塔基础的根开在12～16 m范围内，杆塔附近的土壤电阻率在22～95 Ω·m范围内。

3.2 接地电阻校核

以尺寸最小的B10A基础为例，该基础在根开12 m，土壤电阻率100 Ω·m时的工频接地电阻为2.83 Ω。其他基础的工频接地电阻将小于该值。结合图1的计算结果可见，这些基础独立接地时可满足反击闪络率要求。

3.3 电位差校核

基于接触电位差限值标准，在1.06 kA、0.016 s短路入地电流下，尺寸最小的B10A基础土壤电阻率限值为108 Ω·m，其他杆塔基础的土壤电阻率限值均高于此值。这些杆塔附近的土壤电阻率实际值均在此限值范围内，可见，这些基础独立接地可以满足人身安全要求。

4 结论

1)接地电阻与反击闪络率成正相关关系，接地电阻越小，反击闪络率越小。通过对哈郑直流输电线路典型杆塔反击闪络率的计算得到，以0.034次/100 km·a作为反击闪络率的预期目标时，非西北少雷区和西北少雷区的杆塔冲击接地电阻的控制值约为14 Ω和42 Ω。在0.7的冲击系数下，相应的工频接地电阻控制值可近似取为20 Ω和60 Ω。

2)对哈郑直流工程典型杆塔基础的接地电阻和电位分布进行了计算，提出了取消人工接地体而采用基础独立接地的适用土壤电阻率范围。在不需要考虑接触电位差和跨步电位差的野外地区，在西北少雷区，可采用基础独立接地的最大土壤电阻率可达1 700 Ω·m以上，在非西北少雷区，最大土壤电阻率通常在1 000 Ω·m以下。在需要考虑接触电位差和跨步电位差的地区，可取消人工接地体的最大土壤电阻率通常在100 Ω·m内，基础尺寸较大时则可扩大至数百欧妙·米及以上。

3)在哈郑直流特高压输电工程第12标段中选择了20基杆塔采用基础独立接地。基础接地电阻较小，基础附近的接触电位差和跨步电位差在人身安全限值范围内，满足技术和安全要求。

4)本文提出的方法也可扩展应用于其他特高压交、直流输电工程中，为提高线路接地的技术经济性服务。